（工程热物理专业论文）外部条件对碳酸钙析晶污垢影响实验研究.pdf

iyiiiii11i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘血 日期：垄! 丛兰：! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名壶纽导师签名：主至挚 日 期：2 1 垒：兰：一 山东大学硕士学位论文 目录 目录i c o n t e n t s i 摘要v a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 背景及意义1 1 2 国内外研究现状5 1 2 1 污垢种类及模型的研究5 1 2 2 碳酸钙污垢7 1 3 存在的主要问题1 2 1 4 研究的主要内容1 2 第2 章反应方法对析晶碳酸钙污垢的影响15 2 1 反应方法1 5 2 2 实验方法1 5 2 3 实验分析1 6 2 3 1 析晶污垢的表面形貌1 6 2 3 2x r d 分析1 9 2 4 本章小结2 2 第3 章温度对换热器析晶碳酸钙污垢形成的影响2 3 3 1 温度的影响2 3 3 2 实验方法2 4 3 3 实验分析2 5 3 3 1 析晶污垢的表面形貌2 5 3 3 2x r d 分析2 8 山东大学硕士学位论文 3 4 结果分析3 1 3 4 1 温度的影响3 l 3 4 2 沸腾扰动的影响3 l 3 5 本章小结3 2 第4 章金属离子对碳酸钙析晶污垢的影响3 3 4 1 金属离子的影响3 3 4 2 试验方法及计算方法3 3 4 2 1 试验方法3 3 4 2 2 计算方法3 4 4 3 试验分析3 5 4 3 1 添加钠离子的试验分析3 5 4 3 2 添加镁离子和铝离子的试验分析3 5 4 3 3 金属离子参杂方解石晶胞的第一性原理计算4 2 第5 章结论与展望4 5 参考文献4 7 致谢5 3 攻读硕士学位期间发表论文5 5 i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s 。i i i a b s t r a c tinc hin e s e v a b s tr a c tine n giis h c h a p t e r1 p r e f a c e 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e i 1 2r e s e a r c hs t a t u s 5 1 2 1t y p e sa n dm o d e l so ft h ef o u l i n g 5 1 2 2c a l c i u mc a r b o n a t ef o u l i n g 7 】1 3m a i np r o b l e m s 1 ： 】1 4m a i nr e s e a r c h 1 ： c h a p t e r2e f f e c to ft h er e a c t io no nf o uiin g 15 2 1r e a c t i o nm e t h o d s 1 5 2 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d s 1 5 2 3e x p e r i m e n t a la n a l y s is 1 6 2 3 1s u r f a c em o r p h o l o g yo fc r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n g 1 6 2 3 2x r da n a l y s i s 1 9 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 2 c h a p t e r3e f f e c to ft h et e m p e r a t u r eo nf o u iin g 2 3 3 1e f f e c to ft h et e m p e r a t u r e 2 3 3 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d s 2 4 3 3e x p e r i m e n t a la n a l y s is 2 5 3 3 is u r f a c em o r p h o l o g yo fc r y s t a l l i z a t io nf o u l i n g 2 5 3 3 2x r da n a l y s i s 2 8 3 4r e s u l ta n a l y s i s 3 1 i i i 山东大学硕士学位论文 3 4 1e f f e c to ft h et e m p e r a t u r e 3 1 3 4 2e f f e c to ft h eb o i l i n gd i s t u r b a n c e 3 l 3 5c h a p t e rs u m m a r y 3 2 c h a p t e r4e f f e c to fm e t aiiic io n o nf o uiin g 3 3 4 1e f f e c to fm e t a l l i ci o n 3 3 4 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dc a l c u l a ti o nm e t h o d s 3 3 4 2 1e x d e r i m e n t a lm e t h o d s 3 3 4 2 2c a l c u l a t i o nm e t h o d s 3 4 4 3e x d e r i m e n t a la n a l y s i s 3 5 4 3 1e x d e r i m e n t a la n a l y s i so fn a + 3 5 4 3 2e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fm 9 2 + a n da 1 3 + 3 5 4 3 3 f i r s t p r i n c i p l e s c a l c u l a t i o no f m e t a l l i ci o n s d o p e d c a l c i t ec e l l 4 2 c h a p t e r5c o n siu sio n sa n dp r o s p e c t s 4 5 r e f e r e n c e s 4 7 a c k n o wie d g e m e n t 5 3 s cie n tifica c hie v e m e n t sd u rin gt h em a s t e r 5 5 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 换热设备中污垢的形成是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学 过程。污垢的存在给换热设备的设计和运行造成了极大的经济损失，是传热学界 十分关注而又没能完全解决的主要问题之一。根据统计数据表明，我国境内几乎 所有的地区都存在碳酸钙类型的污垢，因此研究碳酸钙型污垢是针对我国国情出 发的。鉴于碳酸钙污垢形成的复杂性以及形成种类的不确定性，本文重点研究了 外界条件对碳酸钙形成种类及特性的影响，利用x 射线衍射( x r d ) 和扫描电镜 ( s e m ) 等手段，分析了在不同的外界条件作用下碳酸钙污垢形成的类型以及其 他性质。概括起来主要有以下几项工作： ( 1 ) 鉴于目前在模拟研究污垢形成的研究中，多采用配置硬水的办法来加 速污垢的形成，然而这类硬水与实际冷却水中形成的污垢是否有区别，也就是是 否完全可以用模拟硬水来代替实际情况并没有太多的报道。鉴于此问题，本研究 将常用的几种反应方法集中研究对比，研究了不同反应方法对碳酸钙析晶污垢类 型及微观结构的影响。试验研究表明：目前采用的各种化学反应手段或加热模拟 硬水的方法，对研究纯方解石类碳酸钙的形成及微观特性上没有太大的影响，析 出的碳酸钙污垢多为方块状的方解石晶相；但和自来水煮沸烧结所得碳酸钙析晶 污垢还是有一定的差别，因为自来水中含有镁离子等金属离子，析出的碳酸钙污 垢含有成花瓣状的文石晶相。反应溶液中的离子越充足其结晶的污垢晶粒尺寸越 大：常温反应或加热煮沸等条件的变化对析出污垢的晶格常数影响不大，但是自 来水中镁离子等的参与将导致析出污垢的晶格常数大大降低。 ( 2 ) 目前污垢的研究主要集中在高温沸腾形成的污垢，然而对于低温结垢 的研究却鲜有报道。本研究针对低温换热过程中可能出现的结垢现象，采用自制 的低温沸腾装置，研究了不同温度对碳酸钙析晶污垢形成类型与微观结构的影 响。试验研究表明：温度不但影响到析出的碳酸钙污垢的类型，也影响到析出相 的晶格常数和析出粒子尺寸；随着温度的升高，晶格常数减小及晶粒尺寸呈减小 的趋势，这将影响到污垢层的强度。温度较低时碳酸钙污垢主要为方解石晶相， 随着温度的升高析出的文石晶相逐渐增加；同时低温沸腾产生的扰动可以有效地 减小碳酸钙污垢粒子的聚集尺寸。 v 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过添加不同量的金属离子，研究了不同的金属离子对碳酸钙析晶污 垢类型与微观结构的影响。试验研究表明：钠离子对碳酸钙析晶污垢的晶型并没 有明显的影响，试验中只获得了方解石晶相的碳酸钙污垢，但是该方解石的晶格 常数随着钠离子浓度的增加而有所变化；然而，镁离子和铝离子明显的促使了文 石晶相的形成，进一步通过用第一性原理对方解石的不同元素参杂计算可知，掺 杂镁离子和铝离子的方解石整体上提高了晶胞的能量，即晶胞趋于不稳定，而钠 离子的参杂对晶胞的影响较小。随着镁离子和铝离子浓度的增大，碳酸钙晶胞的 最终能呈增大趋势，从而造成晶格的不稳定促进方解石向文石的转变。 关键词：碳酸钙，污垢，晶相，晶格常数，粒子尺寸 v i 山东大学硕上学位论文 a b s t r a c t c o m p l e xe n e r g y ，m a s sa n dm o m e n t u mt r a n s f e ro c c u r si nt h ef o r m a t i o n o ft h ef o u l i n go fh e a te x c h a n g e r s ，a c c o m p a n i e dw i t hav a r i e t yo fp h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o c e s s e s i ti sw e l1k n o w nt h a tf o u li n gh a sc a u s e dg r e a t e c o n o m i cl o s si nt h ed e s i g na n do p e r a t i o no fh e a te x c h a n g ee q u i p m e n t s t od a t e ，i ti so n eo ft h em a i nu n s o l v e dp r o b l e m si nt h eh e a tt r a n s f e rf i e l d a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a ld a t a ，c a l c i u mc a r b o n a t ec r y s t a l l i z a t i o n f o u l i n gd o m i n a t e st h et y p e so ff o u l i n gc o l l e c t e di na l m o s ta l lt h er e g i o n s o fo u rc o u n t r y s of r o map o i n to fv i e wo fc h i n e s ec o n d i t i o n s ，t h i s r e s e a r c hf o c u s e so nc a l c i u mc a r b o n a t ef o u l i n g c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t y a n dt h eu n c e r t a i n t y ，t h i sw o r km a i n l yf o c u s e so nt h ee f f e c to fd i f f e r e n t e x t e r n a lc o n d i t i o n so nt h ef o r m a t i o n ，t y p e sa n dp r o p e r t i e so ff o u l i n gb y u s i n gx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n d o t h e rm e a n s t h i st h e s i sh a sd i s c u s s e dt h el o g i ca n dt h ee x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e si nd e t a il i ns u m m a r y ，t h em a i np o i n t sh a v e b e e n s h o w na s f o l l o w ： ( 1 ) i n1 i t e r a t u r e s ，r e s e a r c h e r sa l w a y su s ea r t i f i c i a lh a r dw a t e rt o a c c e l e r a t et h ef o r m a t i o no ff o u l i n gi nt h es t u d yo ff o u l i n gf o r m a t i o n u n d e rl a bc o n d i t i o n s b u t1 i t t l eh a sb e e nk n o w nw h e t h e rt h ef o u l i n g o b t a i n e dw i t ht h i sm e t h o di st h es a m ew i t ht h ea c t u a lc o o l i n gw a t e r t h a t i s ， w h e t h e r t h e y a r ei n t e r c h a n g e a b l ei nt h ec o n t r o ll e dl a b o r a t o r y c o n d i t i o n s t oc l a r i f yt h i sq u e s t i o n ，t h i sr e s e a r c hs t u d i e dt h ee f f e c t o fd i f f e r e n tr e a c t i o no nt h ec a l c i u mc a r b o n a t ec r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n g t y p ea n dm i c r o s t r u c t u r e ，c o m p a r i n gs e v e r a lk i n d so fr e a c t i o nm e t h o d s e x d e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a r et h a tc a l c i t ed o m i n a t e st h ep h a s e so ft h e p r e c i p i t a t e df o u l i n gb o t h w i t ht h ec u r r e n tv a r i o u sc h e m i c a l r e a c t i o n m e t h o da n dw i t ht h ea r t i f i c i a lh a r dw a t e rm e t h o d t h a ti s ，i fi ti so n l y u s e dt os t u d yt h ef o r m a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec a l c i t ef o u li n g ， t h et w om e t h o d sc a nr e a c ht h es a m eg o a l b u tc o m p a r i n gw it hc a l c i u m c a r b o n a t ec r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n gp r e p a r e db y t a p w a t e r b o i l i n g p r e c i p i t a t i o n ，t h e r ei ss o m e w h a td i f f e r e n t am a s s o fp e t a l s h a p e d a r a g o n i t eh a sb e e no b t a i n e di nb o i l i n gt a pw a t e r ，b e c a u s et a pw a t e r c o n t a i n sm a g n e s i u ma n do t h e r m e t a li o n s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h eg r a i n s i z eo fc r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n gi si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi o n s c o n c e n t r a ti o ni ns o l u ti o n t h ec h a n g eo ft h el a t ti c ec o n s t a n to ft h e p r e c i p i t a t i o nf o u l i n gw i l lb el i t t l ew h e nt h ee x p e r i m e n t a lv a r i a b l e ss u c h a sr o o mt e m p e r a t u r eo rh e a t e dt ob o i l i n ga n do t h e rr e a c t i o nc o n d i t i o n s a l t e r b u tt h ee x i s t e n c eo fm a g n e s i u mi o ni nt a pw a t e rw i l lr e d u c et h e l a t t i c ec o n s t a n to ft h ep r e c i p i t a t i o nf o u l i n gs u b s t a n t i a l l y ( 2 ) t od a t e ，t h es t u d yh a sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o u li n gf o r m e db y b o ili n ga th i g ht e m p e r a t u r e ，b u tt h er e p o r t sf o c u s i n go nl o wt e m p e r a t u r e p r e c i p i t a t e df o u l i n ga r el i m i t e d i nt h i ss t u d y ，f o u l i n gp r e c i p i t a t e di n t h el o w 。t e m p e r a t u r eh e a tt r a n s f e rp r o c e s sh a sb e e ni n v e s ti g a t e db yu s i n g v i i 山东大学硕士学位论文 l o w t e m d e r a t u r eb o i l i n gd e v i c e t h ee f f e c to fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r eo n t h ec a l c i u mc a r b o n a t ec r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n gt y p ea n dm i c r o s t r u c t u r ei s s t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ea f f e c t sn o to n l yt h et y p eo f p r e c i p i t a t e dc a l c i u mc a r b o n a t ef o u l i n g ，b u ta l s ot h el a t t i c ec o n s t a n to f p r e c i p i t a t e sa n dp r e c i p i t a t e dp a r t i c l es i z e t h el a t t i c ec o n s t a n ta n dt h e g r a i ns i z et e n dt od e c r e a s ea st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s w h i c hw i l la l s o a f f e c tt h es t r e n g t ho ft h ef o u li n gs c a l e f o u li n gg e n e r a t e da tl o w t e m p e r a t u r ei sm a i n l yt h ep h a s eo fc a l c i t e ，a n dt h ea r a g o n i t ei n c r e a s e d g r a d u a ll y a s t h e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s m e a n w h il e ，l o w b o ili n g p e r t u r b a t i o nc a nr e d u c et h ea g g r e g a t es i z eo fc a l c i u mc a r b o n a t ef o u l i n g p a r ti c l e sa v a il a b l y ( 3 ) t h ee f f e c t o fd if f e r e n tm e t a li o n so nt h ef o u li n gt y p ea n d m i c r o s t r u c t u r eo fc a l c i u mc a r b o n a t ec r y s t a l l i z a t i o nh a sb e e ns t u d i e sb y a d d i n gd i f f e r e n ta m o u n t so fm e t a li o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t s o d i u mi o n sh a v en os i g n i f i c a n te f f e c to nt h et y p eo fc a l c i u mc a r b o n a t e c r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n g o n l yt h ec a l c i t ec r y s t a l l i n ep h a s eo fc a l c i u m c a r b o n a t ef o u li n gh a sb e e no b t a i n e d ，b u tt h ec a l c i t e l a t t i c ec o n s t a n t v a r i e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs o d i u mi o n sc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r 。m a g n e s i u m i o n sa n da l u m i n u mi o n sc a np r o m o t et h ef o r m a ti o no fa r a g o n i t ep h a s e s i g n i f i c a n t l y t h ef u r t h e rc a l c u l a t i o nb yu s i n gf i r s tp r i n c i p l e si n d i c a t e t h a tt h ed o p e dm a g n e s i u ma n da l u m i n u mi o n s i nc a l c i t ec e l lc a ni m p r o v e t h eo v e r a l le n e r g yo ft h es t r u c t u r ec e l l ，t h e r e f o r et h es t a b i l i t yo fc e l l i sd e c r e a s e d 。w h i l et h ed o p e ds o d i u mi o nh a s1 i t t l ee f f e c to nt h ec e l l a st h ec o n c e n t r a t i o no fm a g n e s i u ma n da l u m i n u mi o n si n c r e a s e s ，i tt e n d s t oi n c r e a s et h ef i n a le n e r g yo fc a l c i u mc a r b o n a t ec e l l ，r e s u l t i n gi n l a t t i c ei n s t a b i l i t y ，w h i c hc a nf u r t h e rp r o m o t et h et r a n s f o r m a t i o no f c a l c i t et oa r a g o n i t e k e yw o r d s ：c a l c i u mc a r b o n a t e ，f o u l i n g ，c r y s t a l l i n e ，l a t t i c ec o n s t a n t ， c r y s t a l l i t es i z e 山东大学硕上学位论文 1 1 背景及意义 第1 章绪论 热交换器是工业生产和日常生活中广为使用的设备之一，据调查，9 0 以上 的换热设备都存在着不同程度的污垢问题。所谓换热器污垢是指在于流体相接触 的换热器表面上逐渐积聚起来的那层固态或软泥状物质n 3 。污垢的存在严重地 影响了设备的正常运行，造成了巨大的经济损失。曾被认为是“传热方面主要未 被解决的问题口1 。时至今日，污垢问题仍然没有得到很好地解决。主要表现 为，在大量对污垢形成的研究中，还没有能够得出一致认可的形成机理，因此， 也就没有提出行之有效的预测或避免污垢的措施。在污垢的积聚方面，典型的例 子是热交换器表面或家用加热器表面石灰盐的沉积口制，如图i - 1 所示嘲。这种污 垢一旦生成，很难采用化学清洗的方法去除，而机械的清洗方法可能会在设备表 面留下粗糙坑，这影响了设备的使用寿命，也可能会加速设备随后运行时污垢的 积聚。 图卜1 热交换器中的污垢崎。 山东大学硕上学位论文 s u r r e y 大学s t e i n h a g e n 教授对新西兰11 0 0 家企业的3 0 0 0 台各种类型热交 换器的污垢问题进行了通讯调查，结果如图卜2 所示。可以看出，9 0 以上的换 热设备都存在着不同程度的污垢问题哺1 。另一方面，污垢层热导率较低，这增大 了热阻，极大地降低了热交换器的传热有效度盯8 1 。这样就必须增大换热面积来 弥补由于污垢热阻的增大而引起的总传热系数的减小。图i - 3 给出了污垢热阻对 传热面积造成的影响。可以看出，由于污垢的存在而使传热面积增加1 0 0 ，也 就是说使传热面积增加一倍的情况并不少见。而目前热交换器设计的不确定度仅 为百分之几，最大也不超过2 0 饽1 ，因此，相比之下，污垢系数带来了较大的不 确定度，这就使热交换器设计时为减少换热面积而作的其它各种努力都劳而无 功。众所周知，采用t e m a 标准的污垢系数进行设计的冗余面积最少也达2 0 - 2 5 n0 | ，而高达6 0 - 1 0 0 的也不少见。这么大的不确定度，完全是我们目前对污垢 影响的认识和把握程度不高造成的。这个量值的比较也显示，污垢引起的“麻 烦”其实并不小。因此，由于污垢系数的不确定性，热交换器设计者减小上述不 确定性的一切努力往往显得苍白无力。 2 1 0 0 g o 6 0 4 0 0 管壳式 板式肋管式 螺旋管套管式 臣习有污垢， 无言亏垢 图卜2 各种类型热交换器中的污垢问题7 1 山东大学硕上学位论文 8 ，、 i 。墨 一 3 锚 8 - 由 寒 膏 司 、- - 一 r r ( 1 0 5 m 2 k 脚) 图卜3 污垢热阻对传热面积的影响1 1 1 因此，污垢对热交换器的设计带来了极大的影响。另外，大部分污垢热阻都 较大，这对总传热系数的影响往往不能忽略。尤其在传热量很大时，污垢甚至决 定了换热装置的设计。 另外，污垢沉积时，相应换热设备的流通横截面积减小，同时，摩擦系数增 大，这两者都引起了设备运行过程中压降的增大。污垢不仅增加了原材料消耗， 恶化了热交换器的传热性能，还会因为垢层增厚而减小流通截面积。在流量维持 恒定的情况下，这必然导致平均流动速度的增加。加之，污垢还常常使流道表面 的粗糙度增加，引起了摩擦系数，和局部阻力系数毛的增加，这必然要引起整个 山东大学硕士学位论文 热交换器流动阻力的增大，为了维持热交换器的性能和传热量的不变，只有增大 泵或风机的耗功率。工程实践也表明，大多数热交换器必须停机进行清洗的原因 是由于压降过大，而不是因为不能满足传热要求。 在安全方面，换热面上污垢的积聚，也常常引起局部过热或超温而导致机械 性能下降，引发事故。污垢的积聚还常常引起换热面的局部腐蚀乃至穿孔，严重 威胁了换热设备的安全运行。 当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的，工业发达国家，如美国和 英国，因热交换器污垢造成的总损失达国内生产总值的0 2 5 n 幢1 。这一问题对 于电力、石油炼制、乳品加工、水泥等高能耗行业尤为突出，如果按照这个比例 计算，我国2 0 0 6 年的国民生产总值是2 0 9 4 万亿元n 引，则污垢给我国带来的损 失就高达6 2 8 2 亿美元。对我国这样的发展中国家，由于许多换热设备相对比较 落后，环境污染对冷却介质的污染严重，污垢造成的实际损失可能更高些。据世 界银行的预测，中国环境污染和能源浪费的成本是整个国民生产总值的8 。 由于换热设备污垢广泛存在，危害巨大，而且又较为分散、隐蔽，难以引起 人们对其重视。因此，对于建设节约型社会的我国，污垢研究具有重要的现实意 义，主要表现在： ( 1 ) 是保障国家战略需求的重要方面。提高产品竞争力是我国近期主要战略 需求之一。导致我国产品竞争力不高的原因较多，其中又以高能耗、高物耗、高 污染、低效益、低质量最为突出。而这“三高两低 中都有相当比例的污垢“贡 献。 ( 2 ) 是国家当前高新技术产业化的六大重点技术方向之一的新能源与节能技 术的重要组成部分，而且还与二十一世纪经济和社会发展所面临的三大问题中的 资源和环境问题密切相关。污垢研究的任何原创性成果都会直接或间接有利于上 述诸高新技术的发展，有益于节能、降耗、节水、环保的进步，是促进经济和社 会可持续发展的不可缺少的一环。 ( 3 ) 是拓展学科交叉融合的理想领域。从污垢现象的多样性、复杂性来看， 污垢模型的建立，除传热传质学外，还要涉及到化学动力学，胶体化学、统计力 学、微生物学、表面科学和非线性科学等基础或应用基础学科的相关知识，同时 还需借助于计算机技术、现代检测技术、人工智能技术等( 实验) 技术科学进行实 4 山东大学硕七学位论文 验研究。此外，还要应用现代生物技术、纳米技术、微电子技术、膜分离技术等 用以开发更有效且环境友好的污垢对策技术。因此，可以说污垢研究是进行学科 交叉融合的理想领域。 ( 4 ) 是培育新技术新产业的沃土温床。历史上由于抑垢的需要，兴起了水处 理行业。抑垢不果，出现了除垢的需要，又催生了一个清洗行业。近些年来，随 着污垢研究的进一步展开和深入，表面改性防垢技术、绿色清洗技术、利用微生 物处理污水的生物技术，物理法和化学法相结合的a m t 技术、用于污垢检测的新 型传感器以及软测量技术等新技术如雨后春笋。这一切都雄辩地证明，污垢研究 是催生新技术、新产业的沃土温床。 ( 5 ) 污垢研究可能产生的经济效益和社会效益都十分巨大。以高能耗行业之 一的火力发电为例：污垢研究可能产生的经济效益和社会效益十分巨大。以电力 工业为例：如果有效的污垢对策使火电煤耗降低1 克标煤千瓦时，按2 0 0 4 年我 国火电发电量2 1 7 3 5 7 0 = 1 5 2 1 4 5 亿千瓦时计，可节约标煤约1 5 2 万吨，这将 减少粉尘排放5 5 0 0 吨，减少c 0 2 排放2 3 0 万吨，减少s 0 2 排放2 3 万吨。这对减轻 环境污染的作用十分明显。 实践经验表明，污垢对策的有效性取决于对污垢机理把握的准确程度和对污 垢状态实时监测的可靠程度，而对污垢机理的准确把握，目前仍然是亟待破解的 难题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 污垢种类及模型的研究 换热设备结垢不仅是一个能量传递、动量传递和质量传递过程，而且往往涉 及化学反应等多种复杂的物理化学过程，这使得换热设备污垢的研究难度大，进 展缓慢，是至今尚未很好解决的重要问题之一n 制。按照污垢形成的主要物理化 学机制的不同，e p s t e i n 将污垢划分为析晶污垢( c r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n g ) ， 颗粒污垢( p a r t i c u l a t ef o u l i n g ) 、化学反应污垢( c h e m i c a lr e a c t i o nf o u l i n g ) 、 腐蚀污垢( c o r r o s i o nf o u l i n g ) 和生物污垢( b i o l o g i c a lf o u l i n g ) 等6 大类n 副。 而在实际过程中，很难遇到单一类型的污垢，常常是几种类型的污垢混杂在一起， 山东大学硕士学位论文 这给问题的研究和解决带来了不小的困难。 在工业生产中，以析晶污垢为主要结垢形式的过程较为常见。析晶污垢是无 机盐自过饱和溶液中析出并沉积于设备表面上形成的，其中以c a c o 。，c a s o 。， m g ( o h ) ：，c a 。( p 0 4 ) 。等具有负溶解性的难溶盐为代表。但是，在不同的国家和地 区，又有所不同。例如，欧洲的报道中，常见c a s o 。为主要成分n 引。这种地区性 差异为污垢的研究带来太多的不确定因素，使得分析结果难于一致。我国幅员辽 阔，污垢大部分以c a c o 。成分为主。在冷却水系统中，这类污垢又称为水垢，它 坚硬、致密、附着力强，热阻大，严重时能堵塞流道，造成事故。因此，对这类 污垢进行研究，有较大的现实意义。 杨善让，徐志明教授系统地阐述了换热设备污垢研究的基本内容，他们着 重研究了混合污垢，污垢的在线监测和污垢的清洗技术及方法。马重芳n 7 1 教授研 究了电磁波、超声波防垢技术。初步研究表明，超声波可以改变污垢的结晶状态， 并已经发现其有效性，但也存在着较多的争议。沈自求教授n 8 1 研究了表面改性防 垢。建立了污垢诱导期的模型。其研究是基于模拟硬水c a c i ：，n a h c o 。配制而成 的。程林教授n 町研究了振动防垢复合强化传热技术。开发了新型换热元件，达到 了防垢以及高效传热的复合强化传热技术。该研究工程应用领先。目前，这方面 的研究仍在继续进行。w e b b 教授、李蔚博士啪吨2 1 研究了颗粒污垢。建立了颗粒污 垢模型。这方面模型大多是数量多，应用少。q z h a o 、s t e i n h a g e n 等采用表面 改性技术研究了c a s o 。污垢，建立了污垢模型位3 。2 射。但这一模型大多是基于欧洲 的水质，对于我国的水质应用工况仍需要进一步的研究。 在污垢研究的实验方法上，由于污垢的沉积是一个缓慢的过程，大部分关于 污垢的研究是采用增大成核浓度，从而加速污垢的沉积过程进行的。这样，在几 个小时或者几天就可以得到重要的污垢数据。采用增大成核浓度的方法，研究者 已经研究了每一个模型。然而，一些研究者提出，工业上，污垢产生的过程可能 同时涉及到两个或更多的污垢生成机理。进一步的研究需要将加速形成污垢以及 自然形成污垢区别考虑，并建立二者的关系。 然而，污垢的研究仍然处于基础阶段，对污垢的物性数据还不足( 如污垢沉 积层密度，热导率，养分扩散系数) ，即使有了满意的模型也无法得到很好的应 用。而换热设备设计中，传统上只以一个与时间无关的经验性污垢系数来考虑 6 山东大学硕士学位论文 污垢的影响。显然，远远满足不了实际的需要，更无法确定设备的清洗周期。对 于当前实际所用的换热设备，在运行过程中，很多研究者给出了一些简化的、可 以估计污垢对换热设备性能影响的使用方法啪3 。这些方法多是采用模拟硬水，在 一些简化的前提下，根据污垢形成过程中，对起主要作用的物理化学因素的分析， 结合一些实测的数据而得出的。 1 2 2 碳酸